环境科学4章.ppt

第四章全球环境问题 所谓全球环境问题是指对全球产生直接影响或具有普遍性 并能够对全球造成危害的环境问题 引起全球范围内生态环境退化的问题 最主要的全球环境问题是全球变化 人们过去对全球变化的理解 往往偏重于全球气候变化 海平面上升等 但是实际上目前全球变化的内容已经大大超出这一范畴 按照最近的国际地圈与生物圈计划的理解 全球变化的内容应该包括大气成分的变化 全球气候变化 土地利用和土地覆盖的变化 人口增长 荒漠化和生物多样性变化 人口增长是全球变化的的最主要驱动因子 由于人类的影响 导致大气成分和土地利用 土地覆盖的变化 最终引起全球气候变化 生物多样性丧失以及土地的荒漠化 第一节气候变化 一 气候变化 最典型的全球尺度环境问题 气候的概念 长期的天气状况 主要指温度和降水2 气候变化的标志主要是气温的升高 自1860年来全球气温平均上升了0 6 二 地球系统的能量平衡大气圈的结构 根据大气温度垂直变化情况 一般将大气圈分为对流层 平流层 中间层 热成层和逸散层 对流层平均厚度12km 水汽和尘埃含量高 温度随高度增加而降低 平流层平均厚度50km 又叫同温层 其下部有一明显的稳定层 温度稳定 稳定层以上温度随高度增加而上升 中间层平均厚度80km 温度随高度增加而降低 到中间层时温度达最低值 是大气中最冷的层次 在距离平流层顶部约60km 大气分子开始电离 热成层 增温层会电离层 厚度约860km 温度随高度增加急剧上升 到约1000km高度时 白天温度可以达到1000 1750k 该层的大气分子在射线作用下大都发生电离 成为原子 离子和自由电子 逸散层平均厚度约800km 是大气圈的最外层 有些运动速度快的质点可以摆脱地心引力而逸入宇宙空间 能量平衡地球温度的变化 大气运动 水滴与水蒸汽和冰的相互转化过程 最根本的驱动力是来自于太阳能 到达地球上的太阳辐射大约以500nm波长为中心的短波为主 并包括一部分高能的紫外光和能量较低的红外光 太阳辐射进入大气层时 大气中的氧分子 臭氧分子对于短波辐射产生光吸收 氧气主要吸收波长小于240nm的短波紫外线 臭氧的吸收波段比氧气更长一些 集中在200 300nm 300 360nm和400 850nm区域 波长小于100nm的紫外线在地表上空约100km的高度几乎被N2 O2 N和O完全吸收 距地表100 50km高度范围内O2将波长小于200nm的部分吸收 从50km向下大约至25 30km的高度 平流层 内 O3是最主要的光吸收物质 O3吸收波长小于310nm的绝大部分紫外光 波长小于310nm的紫外线光能破坏生物键 造成对人体和地表生物的损害 所以 波长小于310nm的对地球生物圈具有重要的保护作用 以500nm波长为中心的短波辐射到达地面使地球表面能量的最主要来源 在吸收太阳辐射的同时 地球本身也向外层空间辐射热量 地球的热辐射以3 30um的长波红外线为主 与太阳的短波辐射不同 当长波辐射进入大气层时 最主要的光吸收物质为分子量更大 极性更强的分子 如果同时考虑分子在大气层中的丰度 地球热辐射最主要的吸收物质为CO2和H2O 除此之外还有甲烷 氧化二氮 臭氧等 已经发现具有温室效应的气体有30多种 主要温室气体及其特征 氟利昂 几种氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的总称 由于破坏大气层中的臭氧层已经北限制使用 由于无毒 无味 不燃 性质非常稳定 所以广泛使用于家电 泡沫塑料 日用化学品 汽车 消防等领域 80年代后期 氟利昂的年产量曾经达到了144万吨 在对氟利昂控制之前 全世界向大气中排放的氟利昂已经达到了2000万吨 一个氯原子可以破坏数万个臭氧分子 二 温室气体及颗粒物的来源1 二氧化碳 化石燃料的燃烧 硅酸盐和碳酸盐工业 土地开垦 退化等 2 甲烷 来源非常复杂 天然湿地 稻田 天然气的使用 生物质燃烧 动物反刍 垃圾填埋场等 3 氧化亚氮 N2O 主要来自于土壤中的反硝化作用 化肥的使用促进这一过程 工业生产 如乙二酸和硝酸的生产 燃烧过程等 4 氟利昂 5 全氟代烷和六氟化硫 这些化合物具有极强的红外线吸收能力 全氟代烷是工业铝生产过程中的副产品 SF6是大型电器设备中的绝缘物质 6 臭氧 对流层中的臭氧是重要的温室气体 对流层中臭氧的增加将导致气温升高 7 颗粒物 气溶胶 烟尘 火山爆发 土壤风蚀等 三 气候变化的后果及其影响1 海平面会上升基地冰川的融化 海水的膨胀可能导致海平面在未来的100年内上升50cm 全世界1 3的人口生活在沿海岸线60km的范围内 人口稠密 经济发达 这些地区可能被淹没 或者更容易受道台风 飓风 海啸 洪涝等自然灾害的影响 一些水国 荷兰 水城 威尼斯 很受威胁 土地面积将减少 如果海平面上升45cm 将可能导致孟加拉国丧失10 9 的领土 迫使5 500 000人流离失所 2 影响农业生产和自然生态系统据IPCC估计 红树林 珊瑚礁 沼泽将会消失 青藏高原 天山和祁连山高山地区的冰川在退缩 降水量将增加还是减少 不确定 生产力增加还是减少 不确定 讨论 气候变化对农业生产的影响3 洪涝 旱灾灾害将频繁4 人类健康受影响 第二节臭氧层破坏 一 臭氧层平流层中最重要的化学组分是臭氧 它含有大气中臭氧浓度的90 所以这一层被称之为臭氧层 大气中臭氧的平衡 Chapman O2 hv 240nm O O氧原子具有很强的化学活性 能很快与O2反应形成臭氧 O2 O O3而臭氧吸收紫外线后又发生光解 2O3 hv 240nm 3O2 实际上 除了上述反应外 平流层更主要的臭氧平衡机制是 Y O3 YO O2YO O Y O2其尽结果是 O3 O 2O2Y主要是奇氮 NO NO2 奇氢 OH 和奇氯 Cl ClO 等 二 臭氧层的破坏如果把平流层中的臭氧沿垂直方向压缩至一个大气压 臭氧层的厚度仅为3mm 虽然臭氧量很少 但是作用很大 英国科学家Farmen等人 1985年总结了他们从1975 1985年的观测结果 发现自1975年以来 哈雷湾观测站附近南极每年春天总臭氧的浓度减少了30 引起全球人们的震惊 科学家已经明确 氯和溴是平流层催化臭氧破坏的根本原因 溴是哈龙 Halon 一种卤代烷的化学品 主要用于灭火剂 受到辐射后释放出的 氟利昂和哈龙是如何进入平流层的 首先进入对流层混合均匀 在热带地区被大气环流带入到平流层 然后风将其从低纬度地区输送到高纬度地区 在平流层内 氯和溴通过催化作用引起臭氧的消耗 Cl O3 ClO O2ClO O Cl O2一个氯原子自由基可以破坏104 105个臭氧分子 臭氧原子自由基是氯原子自由基破坏作用的30 60倍 三 臭氧层破坏的后果1 对人体健康的影响紫外线UV B的增加对人类健康有严重的影响 损伤角膜和晶体 引起白内障 晶体变形 据估计平流层臭氧浓度减少1 全球白内障的发病率将增加0 6 0 8 全世界由于白内障而引起失明的人数每年将增加10000 15000人 如果不对紫外线的增加采取措施 从现在到2075年 UV B辐射的增加将导致大约1800万例白内障病人的发生 UV B的增加 还可能导致皮肤病 癌 的发生 长期暴露于UV B的辐射可能导致人体免疫能力的降低 传染性疾病的发生会增加 真空紫光UV10 200nm 短波紫外UV C200 290nm 中波紫外UV B290 320nm 长波紫外UV A320 400nm 可见光400 760nm 2 对陆生植物的影响形态 功能 质量都可能受到影响 蛋白质和DNA的结构可能发生变化 导致遗传变异 3 对水生生态系统的影响30 的动物食物蛋白来自于海洋的浮游生物 研究发现南极地区UV B辐射及其穿透水体的量的增加与浮游生物减少有关 而浮游生物的减少导致了海洋鱼虾贝等生产力的降低 4 对生物化学循环的影响植物的初级生产力会降低 枯枝落叶的分解速度加速 影响微生物种群 功能 5 对材料的影响UV B的增加加速建筑 喷涂 包装及电线电缆 尤其是高分子材料的降解和老化变质 特别是在热带和阳光充足的地区 6 对对流层大气组成及其空气质量的影响平流层臭氧的减少的一个直接结果是使到达底层大气的UV B增加 由于能量很高 将导致对流层大气化学更加活跃 例如H2O2和OH等自由基的浓度增加 城市地区的臭氧超标 大气氧化能力的增加会导致一些气体成分含量成比例的降低 许多影响还不清楚 正在研究 第三节酸雨 一 酸雨的成因上个世纪50年代英国人R A Smith最早观察到酸雨 并且提出酸雨这一概念 我国酸雨研究始于70年代 在北京 上海 南京 重庆和贵阳等城市发现酸性降雨 1985 1986年在全国范围内布设了189个检测点 对降水数据进行了观测和分析 结果表明我国降水pH小于5 6的地区主要分布在秦岭淮河以南 小于5 0的地区主要在西南 华南以及东南沿海一带 降水的成分 有机物 无机盐 光化学反应物 颗粒物等 天然降水本身是酸性的 因为溶解了二氧化碳 根据二氧化碳的溶解度及其在水中的酸碱平衡过程常数 可以计算出二氧化碳溶解达到平衡状态时水的pH值为5 6 所以一般将pH5 6做为判断水是否被酸碱污染或者降水是否酸化的一个背景值 工业排放的SO2和大气中的NOx是产酸的主要化合物 如果酸性不能被雨水中的碱性离子所平衡 就呈现酸性 降到地面就是酸雨 如果一个大型的发电厂一天燃烧10000吨煤 如果煤的含硫量为3 那么每天将排除900吨SO2 可以大约形成1500吨硫酸 NH3对酸雨的形成很重要 2004年国家规定原煤含硫量超过1 2 的不准进入市区 超过2 1 的禁止开采使用 二 酸雨的危害 1水体酸化2土壤酸化3影响生物4影响建筑物寿命5腐蚀文物故迹 第四节生物多样性锐减 一 生物多样性和生物资源的特性 一 多样性生物多样性是指地球上所有生物 动物 植物和微生物及其所构成的综合体 生物多样性通常包括三个层次 1 生态系统多样性 生物群落和生境类型的多样性 2 物种多样性 动物 植物和微生物物种的丰富性 3 遗传多样性 生物物种的个体内以及物种之间的基因多样性 二 生物资源及其特性生物资源是指对人类具有直接 间接和潜在用途的生物多样性组分 包括生物的遗传资源 物种资源 生态系统的服务功能资源等生物资源是可再生的资源 生物资源尤其是生态系统的服务功能资源是一种公共资源 具有很强的自然属性 不具有市场贸易属性和交换的经济价值 三 生物多样性减少的趋势生物多样性锐减是全球普遍关注的重大生态问题 从恐龙灭绝以来地球上生物多样性损失的速度比历史上任何时候都快 鸟类和哺乳动物现在的灭绝速度是未干扰的自然界的100 1000倍 在1600 1950年 已知的鸟类和哺乳动物的灭绝速度增加勒4倍 自1600年以来 大约有113种鸟类和83种哺乳动物已经消失 在1850 1950年 鸟类和哺乳动物的灭绝速度平均每年1种 二 生物多样性减少的原因1 森林砍伐 火烧 农垦 草地过牧或者开垦 生境破坏 2 高强度捕猎 捕捞 采集过渡 使野生生物资源更新的速度不及利用的速度 3 土壤 水和大气污染 4 外来物种的引入 5 旅游等过度 使生态系统受损 6 施用农药 7 工程影响 8 全球变暖使物种难以适应 三 生物多样性减少的后果影响生态系统的稳定 丧失生态系统的服务功能 基因资源匮乏 影响农业生产 例如昆虫 害虫的天敌减少 医药资源减少 第五节海洋污染 一 海洋污染物依其来源 性质和毒性 可分为以下几类 石油及其产品 见海洋石油污染 金属和酸 碱 包括铬 锰 铁 铜 锌 银 镉 锑 汞 铅等金属 磷 砷等非金属 以及酸和碱等 它们直接危害海洋生物的生存和影响其利用价值 农药 主要由径流带入海洋 对海洋生物有危害 放射性物质 主要来自核爆炸 核工业或核舰艇的排污 有机废液和生活污水 由径流带入海洋 极严重的可形成赤潮 热污染和固体废物 主要包括工业冷却水和工程残土 垃圾及疏浚泥等 前者入海后能提高局部海区的水温 使溶解氧的含量降低 影响生物的新陈代谢 甚至使生物群落发生改变 后者可破坏海滨环境和海洋生物的栖息环境 二 污染的危害和后果海洋污染的特点是 污染源多 持续性强 扩散范围广 难以控制 海洋污染造成的海水浑浊严重影响海洋植物 浮游植物和海藻 的光合作用 从而影响海域的生产力 对鱼类也有危害 重金属和有毒有机化合物等有毒物质在海域中累积 并通过海洋生物的富集作用 对海洋动物和以此为食的其他动物造成毒害 石油污染在海洋表面形成面积广大的油膜 阻止空气中的氧气向海水中溶解 同时石油的分解也消耗水中的溶解氧 造成海水缺氧 对海洋生物产生危害 并祸及海鸟和人类 由于好氧有机物污染引起的赤潮 海水富营养化的结果 造成海水缺氧 导致海洋生物死亡 海洋污染还会破坏海滨旅游资源 因此 海洋污染已经引起国际社会越来越多的重视 三 防止海洋污染的措施主要有 海洋开发与环境保护协调发展 立足于对污染源的治理 对海洋环境深入开展科学研究 健全环境保护法制 加强监测监视和管理 建立海上消除污染的组织 宣传教育 加强国际合作 共同保护海洋环境 第六节生态环境破坏 一 植被破坏 一 森林森林是陆地生态系统的中心 在涵养水源 保持水土 调节气候 繁衍物种 动物栖息等方面有着不可替代的作用 森林同时为人类提供了林木资源 支撑着林业工业 森林曾经覆盖世界陆地面积的45 总面积为60 108hm2 19世纪初期已经减少到55 108hm2 1985年减少为41 47 108hm2 全球每年平均损失森林面积 1800 2000 104hm2 到目前 1996年 全世界森林面积已经缩小了1 3 总面积为30 108hm2 至2000年 全球损失了2 2 108hm2热带森林 森林被破坏的原因 1 木材生产 2 薪柴 3 变为农田或牧场 森林破坏的后果 1 半荒漠或者荒漠化 2 气候变化 降雨量减少 CO2排放 3 自然灾害频繁 4 生物多样性减少 二 草地退化全世界草原的总面积约31 6 108hm2 占陆地面积的24 疏林总面积为13 7 108hm2 占陆地总面积的10 4 灌木林 冻土地区 荒漠地区可供进行季节性放牧或在多雨年用于放牧的土地 总面积为43 8 108hm2 其中一半可用做牧场 折合21 9 108hm2 占陆地面积的16 6 这三类草地总计为67 108hm2 占陆地面积的51 草地是放牧家畜和野生动物的栖息场所 草地退化的表现是 1 草群稀疏低矮 产草量降低 草质变劣 2 覆盖度降低 土壤侵蚀 荒漠化 3 面积减少 4 生物多样性减少 草地退化的原因 1 过渡放牧 2 开垦转变为农地 3 过渡樵采 采挖药材 4 鼠害 5 气候变化 二 土地荒漠化土地荒漠化是指在干旱 半干旱和某些半湿润地区 由于气候变化和人类活动等各种因素所造成的土地退化 土地 土壤 退化 在自然及人为因素影响下土地环境恶化 植被退化 生产力降低的过程 土地退化的形式或者退化的具体原因有水土流失 风蚀 盐渍化 污染 过渡利用或者利用不当等 土地荒漠化是土地退化的具体表现形式之一 荒漠化的特征首先是植被的退化 覆盖度和生物量的降低 地表物质的流失 生产力的降低 全球干旱陆地 不包括及其干旱的沙漠 大约有36亿hm2或者70 的面积发生了土地荒漠化 土地荒漠化的原因大致有四类 1 风力作用下的风蚀 2 流水作用下的风蚀 3 土壤的盐渍化 4 工矿开发对地表覆盖的破坏 土地荒漠化是目前世界最严重的环境与社会经济问题 全球荒漠化面积1984年为34 75hm2 1991年增加为35 92亿hm2 约占全世界陆地面积的1 4 已经影响到了全世界1 6的人口 100多个国家和地区 世界荒漠化概况 非洲有世界上面积最大的旱地 大约20亿hm2 占非洲土地总面积的65 非洲36